中置式汽車底盤測功機的誤差分析

王明塔

（天津科達動力測控技術(shù)有限公司，天津 300072）

0 引言

中置式汽車底盤測功機是指兩個轉(zhuǎn)鼓直接安裝在電機軸頭兩端的轉(zhuǎn)鼓底盤測功機。這種結(jié)構(gòu)的底盤測功機比傳統(tǒng)直線型底盤測功機（電機放在一側(cè)，兩個轉(zhuǎn)鼓放在一側(cè)，電機與轉(zhuǎn)鼓通過聯(lián)軸器聯(lián)接成一體）結(jié)構(gòu)緊湊，需要地坑尺寸更小，軸承數(shù)量少測量精度高。并且在設(shè)計中可以把測力機構(gòu)，力的標(biāo)定系統(tǒng)放在測功機頂部，使設(shè)備的安裝維護都非常方便，是目前汽車性能檢測領(lǐng)域比較流行的底盤測功機。

1 中置式汽車底盤測功機的誤差分析及修正

中置式汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電機轉(zhuǎn)子以及電機定子在電機發(fā)電過程和電動過程中電機勻速運行時的受力如圖2所示。

圖1 中置式汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機轉(zhuǎn)子及電機定子在電機電動運行和發(fā)電運行時受力圖

圖中符號的含義：Me—軸扭矩－測功機軸上的扭矩（N·m）。發(fā)電運行時是測功機軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的制動力矩。電動運行時是測功機軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的驅(qū)動力矩；Mc—電磁力矩 （N·m）；Mzm—轉(zhuǎn)子軸承摩擦阻力矩 （N·m）；Mdm—定子軸承的摩擦阻力矩（N·m）；Mtm—鐵損等損失（N·m），硅鋼片中磁滯渦流損耗等；Mzf1—電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2—轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1—電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動對定子的驅(qū)動力矩（N·m）；Mdf2—電機冷卻風(fēng)對定子的驅(qū)動力矩（N·m）；Mf：測功機測力機構(gòu)的約束力矩（N·m）（測功機指示值）。

1.1 發(fā)電運行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

由于冷卻風(fēng)對定子的附加力矩Mdf2是一個常數(shù)，所以可以在標(biāo)定時開風(fēng)機標(biāo)定測功機的零點就可以消除風(fēng)機冷卻風(fēng)的影響。則式（2）就可以改寫為：

式（1）-式（3）有：

令：ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1

我們稱ΔM為風(fēng)阻附加阻力則：

即中置式汽車底盤測功機發(fā)電運行時轉(zhuǎn)鼓制動扭矩Me等于測功機指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再加上風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.2 電動運行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

標(biāo)定時開冷卻風(fēng)機標(biāo)定測功機的零點消除冷卻風(fēng)阻Mdf2的影響。則式（7）改寫為：

將式（8）代入式（6）中

令ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1則有：

即中置式汽車底盤測功機電動運行時電機軸輸出扭矩Me等于測功機指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再減去風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.3 中置式汽車底盤測功機測量值的修正

為了得到測功機軸上準(zhǔn)確的制動和驅(qū)動扭矩必須對測量指示值進行修正。下面分別分析各項影響因素和修正方法。

1.3.1 測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩Mdf2。

測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩是由于冷卻空氣沖擊定子外殼產(chǎn)生的附加扭矩。減少測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩和修正方法為：

（1）設(shè)計冷卻風(fēng)道盡量沿電機定子外殼的軸線方向，使附加扭矩盡量小。

（2）Mdf2與測功機轉(zhuǎn)速及負荷無關(guān)，僅與冷卻風(fēng)量有關(guān)，所以冷卻風(fēng)附加扭矩Mdf2基本上是常數(shù)，所以可以標(biāo)定時開風(fēng)機設(shè)定測功機零點來修正。

1.3.2 定子軸承摩擦阻力Mdm的修正

定子軸承的摩擦阻力Mdm與軸承徑向載荷有關(guān)。而軸承的徑向載荷主要取決于電機轉(zhuǎn)子和定子的總重量，測功機的負荷，兩個軸承的同軸度，以及測功機軸與被測機械軸的同軸度有關(guān)。所以要準(zhǔn)確的計算和測量是很困難的。

對于一般測功機而言只要設(shè)計合理，加工精度和安裝精度能夠保證，定子軸承的阻力相對來說很小，可以忽略不計。而對于中置式汽車底盤測功機定子軸承的徑向負荷除了電機重力以及測力傳感器引起的徑向負荷外還有兩個轉(zhuǎn)鼓的重力，壓在轉(zhuǎn)鼓上試驗用車輛的重力，以及沿轉(zhuǎn)鼓表面切線方向的制動力都會增加定子軸承的徑向負荷。初步估算在最大車重，最大制動力時定子軸承的摩擦阻力高達70多N.m。折合到轉(zhuǎn)鼓輪表面相當(dāng)于120N的阻力。所以必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┬拚?/p>

圖3是消除定子軸承摩擦阻力的一種方法。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電機每端定子是用一個軸承支撐，測量時定子軸承不旋轉(zhuǎn)，只是在很小的范圍內(nèi)擺動。而改進結(jié)構(gòu)電機每端的定子是用雙軸承支撐，并且兩個軸承中間加裝一個旋轉(zhuǎn)套。旋轉(zhuǎn)套在電機鏈子的帶動下慢速旋轉(zhuǎn)。并且為了避免牽引力信號偏移，定子兩端驅(qū)動鏈子的電機旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣就保證了驅(qū)動中產(chǎn)生的動摩擦相互抵消。通過改進把克服一個軸承的靜摩擦變?yōu)榭朔蓚€軸承的動摩擦。這樣可以使定子軸承的摩擦阻力趨近于零。很好的消除了定子軸承摩擦阻力對測量的影響，并有效的消除了測量中測量滯后的現(xiàn)象。

圖3 消除定子軸承摩擦阻力的一種方法

1.3.3 風(fēng)阻附加阻力ΔM的修正

其中：Mzf1：電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2：轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1：電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動對定子的驅(qū)動力矩（N·m）。

一般電機轉(zhuǎn)子和定子在一個密閉的空間，所以可以認為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起空氣動能全部傳給定子外殼。空氣對轉(zhuǎn)子的阻力Mzf1和空氣對定子的驅(qū)動力Mdf1相等。即Mzf1≈Mdf1。一般的測功機輸出軸上沒有轉(zhuǎn)鼓等大的旋轉(zhuǎn)件，可認為Mzf2→0。所以一般測功機可以近似認為ΔM=0。而對于中置式汽車底盤測功機轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件攪動空氣的阻力無法傳遞到測功機定子外殼，所以此阻力測力機構(gòu)測量不出來，故必須進行修正。修正方法如下：

從式 （10）可知測功機電動運行時有Me=Mf+Mdm-ΔM。當(dāng)測功機軸上無輸出時，也就是中置式汽車底盤測功機轉(zhuǎn)鼓上不放車，測功機空轉(zhuǎn)。則Me=0。式（10）可寫為ΔM=Mf+Mdm。如前所述Mdm→0則有ΔM=Mf。即底盤測功機電動勻速運轉(zhuǎn)時測功機指示值Mf即為該轉(zhuǎn)速測功機的風(fēng)阻附加值ΔM。改變測功機的轉(zhuǎn)速就可以測出不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)阻附加值。最后擬合出ΔM=f（n）的關(guān)系方程，便可以對風(fēng)阻附加值ΔM進行修正。

2 結(jié)束語

中置式汽車底盤測功機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，軸承數(shù)量少，占用地坑面積小的特點。通過對影響中置式測功機系統(tǒng)各個因素的修正就可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動力矩或制動力矩。當(dāng)測功機電動運行時轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動力矩Me等于測功機的指示值Mf減去風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf-ΔM。當(dāng)測功機發(fā)電運行時轉(zhuǎn)鼓的制動力矩Me等于測功機指示值加上風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf+ΔM。通過對影響因素的修正，使中置式汽車底盤測功機的測量更加準(zhǔn)確。